用单原子自旋电流革新电子学
诸平
据日本东京大学理学院(School of Science, The University of Tokyo)2025年1月12日提供的消息,用单原子自旋电流革新电子学(Revolutionizing Electronics With Single-Atom Spin Currents)。
一组研究人员在自旋电子技术上取得了显著突破,在铊-铅合金(thallium-lead alloys)的单原子层中实现了自旋极化电流的单向流动。这一进展不仅挑战了材料与光相互作用的传统观点,而且预示着未来超精细、环保数据存储的发展。
自旋电子技术的突破性发现(Groundbreaking Discovery in Spintronic Technology)
来自东京大学的研究人员谷内息吹(Ibuki Taniuchi),秋山了太 (Ryota Akiyama),保原麗(Rei Hobara)以及長谷川修司(Shuji Hasegawa)教授发现了一种开创性的方法,可以在室温下暴露在光下控制铊-铅合金单原子层中自旋极化电流的方向。这一发现挑战了传统的理解,因为单原子层以前被认为是几乎透明的,这意味着它们与光的相互作用最小。
该研究对单向电流的观察为远远超出普通二极管的进步打开了大门,有可能导致环保数据存储解决方案和超薄的二维自旋电子器件。相关研究结果于2025年1月10日已经在《ACS纳米》(ACS Nano)杂志网站发表——Ibuki Taniuchi, Ryota Akiyama, Rei Hobara, Shuji Hasegawa(長谷川修司).Surface Circular Photogalvanic Effect in Tl–Pb Monolayer Alloys on Si(111) with Giant Rashba Splitting. ACS Nano, 10 January 2025. DOI: 10.1021/acsnano.4c08742
二极管功能的进步(Advancements in Diode Functionality)
二极管是现代电子产品的重要部件,其工作原理是将电流限制在一个方向上。然而,随着设备变得越来越薄,设计和制造这些组件变得越来越复杂。这就是自旋电子学(spintronics)——一个专注于操纵电子自旋的领域,通常使用光来发挥作用。通过在这种超薄系统中探索自旋电子学,研究人员的目标是发现可能彻底改变电子和数据存储技术的新现象。
秋山了太说:“自旋电子学传统上处理较厚的材料。然而,我们对非常薄的系统更感兴趣,是因为它们固有的令人兴奋的性质。因此,我们想将两者结合起来,研究光在二维系统中向自旋偏振电流(spin-polarized current)的转换。”
创新与未来应用(Innovations and Future Applications)
光向自旋极化电流的转换被称为圆形光电效应(circular photogalvanic effect简称CPGE)。在自旋偏振电流中,电子的自旋在一个方向上排列,根据光的偏振将电流限制在一个方向上。这种现象与传统的二极管类似,在二极管中,电流只能根据电压的极性向一个方向流动。研究人员使用铊-铅合金来观察这种现象是否可以在薄如单个原子的层(二维系统)中观察到。他们在超高真空中进行实验,以避免材料的吸附和氧化,从而揭示其“真实颜色”( “true colors”)。当研究人员用圆偏振光照射合金时,他们可以观察到流动电流的方向和大小的变化。
秋山了太说:“更令人惊讶的是,这是一个自旋偏振电流(spin-polarized current):由于这些薄合金的新特性,电子自旋的方向与电流的方向一致。”
该团队先前开发的这些薄合金显示出独特的电子特性,这给了该团队目前研究的一个偶然提示。有了这些新知识,秋山了太开始满怀信心展望未来。
“这些结果表明,基础研究对于应用和发展至关重要。在本研究中,我们旨在观察一个优化的系统。下一步,除了寻找具有独特电子性能的新型二维薄合金外,我们还希望使用较低能量(太赫兹)激光(terahertz laser)来缩小诱导CPGE的激发路径。这样可以提高光到自旋偏振电流的转换效率。”
本研究得到了基盤研究A(20H00342,23H00265)、基盤研究B(20H02616)、挑戦研究(22K18934, 24K00551)以及特別研究員奨励費(23KJ0480)的资助。
上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道。
We have found that surface superstructures made of “monolayer alloys” of Tl and Pb on Si(111), having giant Rashba effect, produce nonreciprocal spin-polarized photocurrent via circular photogalvanic effect (CPGE) by obliquely shining circularly polarized near-infrared (IR) light. CPGE is here caused by the injection of in-plane spin into spin-split surface-state bands, which is observed only on Tl–Pb alloy layers but not on single-element Tl nor Pb layers. In the Tl–Pb monolayer alloys, despite their monatomic thickness, the magnitude of CPGE is comparable to or even larger than the cases of many other spin-split thin-film materials. A model analysis has provided the relative permittivity ε* of the monolayer alloys to be ∼1.0, which is because the monolayer exists at a transition region between vacuum and the substrate. The present result opens the possibility that we can optically manipulate the spins of electrons even on monolayer materials.
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